一种同时充入二氧化碳与氮气情况的爆炸三角形改进方法与流程

本发明涉及一种同时充入二氧化碳与氮气情况的爆炸三角形改进方法，用于确定向矿井中充入二氧化碳和氮气的量，以抑制矿井中气体爆炸的可能。

背景技术：

从安全角度考虑，预知密闭区内混合气体是否具有爆炸性或是如果当前不具有未来是否有可能转变为爆炸性气体从而诱发爆炸灾害事故，这对于煤矿采取有效的通风安全措施，保障安全生产具有重要的意义。然而不幸的是，国内外不少煤矿由于对密闭区的管理不善，导致了大量人员伤亡与财产损失的爆炸事故，造成的爆炸事故造成人员的伤亡仍然是屡见不鲜，得到的经验与教训也是深刻的。讲过长时间的研究，产生了一系列的混合气体爆炸性评估方法，比如爆炸三角、USBM方法、MAO分析等。此外，关于混合气体的爆炸性还在不断地从理论与实验方面进行改进。

但是，由于井下密闭环境的气体组份很复杂，使得各种判断方法都有一定的限制。其中一个问题就是这些方法对于二氧化碳充入过程对混合气体爆炸性的影响没有充分的研究。当煤矿存在混合气体爆炸隐患时，为解除隐患，管理人员常常会同时充入大量的二氧化碳与氮气。并没有方法对同时存在二氧化碳与氮气两种惰性气体后对混合气体存在状态下进行研究，因此这是不合理的。

综上所述，为了提高煤矿安全和协助煤矿事故缓解策略，考虑在同时充入氮气与二氧化碳两种惰性气体的情况下，对科沃德爆炸三角形方法进行改进，得到更准确更接近实际的情况，为决策者提供依据是很有必要的。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种同时充入二氧化碳与氮气情况的爆炸三角形改进方法，是对现有爆炸三角形的一种修正方法，用于提高矿井密闭空间中爆炸风险判断的准确率，便于更精准的做出决策。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

为了防止发生爆炸，同时充入二氧化碳与氮气情况下，对原有的爆炸三角形改进，重新生成符合实际情况的爆炸三角形的方法，包括如下步骤：

(1)矿井中的原始混合气体主要包括可燃气体、氧气、二氧化碳和氮气；将原始混合气体分为两组进行计算：第一组忽略混合气体中的二氧化碳，仅考虑原始混合气体中的可燃气体、氧气和氮气；第二组忽略混合气体中的氮气，仅考虑原始混合气体中的可燃气体、氧气和二氧化碳；

(2)根据下式计算原始混合气体中可燃气体的总体积浓度：

式中：C_T为可燃气体的总体积浓度，C_i为可燃气体i的体积浓度，n为可燃气体的种类；

(3)根据下式计算原始混合气体的爆炸上、下限值：

式中：L_max、L_mix为原始混合气体的爆炸上、下限，L_imax、L_imix为可燃气体i的爆炸上、下限；

(4)计算第一组混合气体的爆炸三角形特征值，包括如下步骤：

(41)根据下式计算第一组混合气体的鼻限极值：

式中：为第一组混合气体的鼻限极值，为第一组混合气体中可燃气体i的鼻限极值；

(42)根据下式计算第一组混合气体所需要充入的氮气量：

式中：为第一组混合气体所需要充入的氮气量，为使得可燃气体i惰性化所需充入的氮气量；

(43)根据下式计算第一组混合气体在鼻限极值处氧气的体积浓度：

式中：为第一组混合气体在鼻限极值处氧气的体积浓度；

(5)计算第二组混合气体的爆炸三角形特征值，包括如下步骤：

(51)根据下式计算第二组混合气体的鼻限极值：

式中：为第二组混合气体的鼻限极值，为第二组混合气体中可燃气体i的鼻限极值

(52)根据下式计算第二组混合气体所需要充入的二氧化碳量：

式中：为第二组混合气体所需要充入的二氧化碳量，为使得可燃气体i惰性化所需充入的二氧化碳量；

(53)根据下式计算第二组混合气体在鼻限极值处氧气的体积浓度：

式中：为第二组混合气体在鼻限极值处氧气的体积浓度；

(6)根据步骤(4)和步骤(5)得到两组坐标点和根据两组坐标点计算爆炸三角形特征值，定义原始混合气体中氮气和二氧化碳的体积浓度分别为和根据下式计算原始混合气体的鼻限极值(L_nose,O_nose)为：

(7)根据原始混合气体的爆炸上、下限值L_max、L_mix，以及原始混合气体的鼻限极值(L_nose,O_nose)绘制修正后的爆炸三角形。

具体的，所述可燃气体包括甲烷、氢气、一氧化碳、乙烯、乙烷和乙炔。

矿井在有气体爆炸隐患存在的情况下，往往是同时充入惰性气体氮气和二氧化碳，基于该事实，我们对科沃德爆炸图表没有考虑的情况进行改进，通过将混合气体进行分组讨论再整合，得到更接近实际的能够预测矿井中气体安全状态的随时间变化的图表。

有益效果：本发明结合实际情况对爆炸三角进行改进，得到更符合实际的情况，实时反映当同时冲入氮气与二氧化碳的情况下矿井气体安全状态，为决策者做出更准确的决策提供依据，提高了矿井生产的安全性。

附图说明

图1为本发明的实施流程图；

图2为本发明实施例绘制而成的修正后的爆炸三角形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一起发生在中国煤矿采空区中的着火事件，长壁开采面会立刻进行封闭。取自密闭区域的空气样本显示混合气体的百分比如下：CH₄：4.30％；H₂：2.00％；CO：4.00％；C₂H₂：4.00％；C₂H₄：0.50％；C₂H₆：0.40％；CO₂：15.00％；N₂：57.80％；O₂：12.00％。密闭空间总体积为178500m³。单一可燃气体在分别以氮气和二氧化碳为惰性气体的爆炸上下限以及极限鼻值列于表1。

表1 计算所需常用值

按照本发明方法绘制修正后的爆炸三角形，具体步骤如下：

步骤一：将矿井中的原始混合气体分成两组

第一组为CH₄：4.30％；H₂：2.00％；CO：4.00％；C₂H₂：4.00％；C₂H₄：0.50％；C₂H₆：0.40％；N₂：57.80％；O₂：12.00％。

第二组为CH₄：4.30％；H₂：2.00％；CO：4.00％；C₂H₂：4.00％；C₂H₄：0.50％；C₂H₆：0.40％；CO₂：15.00％；O₂：12.00％。

步骤二：计算原始混合气体中可燃气体的总体积浓度C_T

步骤三：计算原始混合气体的爆炸上、下限值L_max、L_mix

步骤四：对第一组混合气体进行计算

①确定鼻限极值

②确定所需要充入的氮气量

③确定在鼻限极值处氧气的体积浓度

步骤五：对第二组混合气体进行计算

①确定鼻限极值

②确定所需要充入的二氧化碳量

③确定在鼻限极值处氧气的体积浓度

步骤六：绘制修正后的爆炸三角形

根据下式计算原始混合气体的鼻限极值(L_nose,O_nose)：

结合原始混合气体的爆炸上、下限值L_max、L_mix，得到修正后的爆炸三角形如图2所示。图中两条虚线分别为单独充入氮气时的三角形和单独充入二氧化碳时的三角形，可以看出，修正后的三角形更为准确，对封闭区域气体状态的判断更为真实。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。